諧波測量分析系統(tǒng)設(shè)計

1、. “虛擬儀器技術(shù)“課程設(shè)計任務書(三)題目：諧波測量分析系統(tǒng)設(shè)計一、課程設(shè)計任務隨著科學技術(shù)的開展，各種電子產(chǎn)品在電力系統(tǒng)中得到大量應用，特別是各種非線性負載包括可控整流傳動裝置及高壓直流輸電系統(tǒng)的投入，以及各種電力電子裝置在電力系統(tǒng)、工業(yè)、交通及家庭中的應用日益廣泛，理想電力系統(tǒng)的近似程度變差，直接表現(xiàn)是電網(wǎng)中的電壓和電流波形產(chǎn)生周期性畸變。電網(wǎng)中除了與供電電源同頻率的正弦量(稱為基波分量)以外，還出現(xiàn)了一系列大于基波頻率整倍數(shù)的正弦波分量(高次諧波分量)。這一系列正弦分量統(tǒng)稱為電力諧波。當電網(wǎng)中存在的諧波成分超過一定指標，輕者增加能耗，縮短設(shè)備運行壽命，重則造成停電事故，直接影響平安生產(chǎn)

2、。所以，對電網(wǎng)中諧波含量準確的測量，確切掌握電網(wǎng)中諧波的實際狀況，對于防止諧波危害、維護電網(wǎng)的平安運行是十分必要的。LabVIEW具有強大的信號分析與數(shù)學運算功能，在它的數(shù)學分析庫中包含了數(shù)以百計的VI 程序，能夠進展各種時域與頻域信號分析。本課題通過虛擬儀器LabVIEW圖形化軟件開發(fā)平臺，設(shè)計一種諧波測量分析系統(tǒng)。本課題中系統(tǒng)的功能實現(xiàn)采用虛擬儀器技術(shù)的思想，選擇開放式的LabVIEW虛擬儀器軟件開發(fā)平臺，將LabVIEW軟件引入到諧波測量分析系統(tǒng)中，能模擬測量低壓配電系統(tǒng)的基波電流，基波頻率，總畸變率THD、thd，231次各次諧波電流含有率等參數(shù)。具體指標與要求如下：(一) 要求設(shè)計一

3、個通道的正弦信號發(fā)生器以模擬實際電流，具體要求為：1、頻率圍：0.001Hz100KHz；2、幅值：0200A，可選；3、直流偏置：0100V，可選；4、可調(diào)整幅值、相位、頻率；調(diào)整后無須重新啟動提示：用循環(huán)構(gòu)造；5、在產(chǎn)生的信號中可以參加高斯噪聲。(二) 諧波測量分析系統(tǒng)能模擬測量低壓配電系統(tǒng)的基波電流，基波頻率，總畸變率THD、thd，231次各次諧波電流含有率、直流含量等參數(shù)。(三) 諧波測量分析系統(tǒng)可以對產(chǎn)生的正弦信號進展頻譜分析，得到相關(guān)的頻譜圖。四所有測量分析的參數(shù)都要在系統(tǒng)前面板中進展顯示，所產(chǎn)生的正弦信號及其頻譜圖要求分別進展波形顯示。諧波分析原理：對于周期為的電流諧波信號進展

4、傅立葉級數(shù)分解，除了得到與電網(wǎng)基波頻率一樣的電流分量，還得到一系列大于電網(wǎng)基波頻率的電流分量，如下式所示：，() (1)其中，稱為次電流諧波，稱為次電流諧波的幅值，諧波頻率與基波頻率的比值()稱為諧波次數(shù)。求模擬信號連續(xù)頻譜的一般方法是對它做傅立葉變換：(2)用數(shù)字方法實現(xiàn)傅立葉變換的數(shù)學根底是離散傅立葉變換(DFT)。離散傅立葉變換的數(shù)學表達式為(3)電流總畸變率和： (4) (5)其中稱為次電流諧波的幅值，為基波電流的幅值，為周期性交流量方均根值。諧波含有率指第n次電流諧波的rms值與基波電流rms值的比率，即 (6)二、課程設(shè)計目的通過本次課程設(shè)計使學生具備：1了解現(xiàn)代儀器科學與技術(shù)的開

5、展前沿；2學習和掌握虛擬儀器系統(tǒng)組成和工作原理；3掌握虛擬儀器LabVIEW圖形化軟件設(shè)計方法與調(diào)試技巧；4培養(yǎng)學生查閱資料的能力和運用知識的能力；5提高學生的論文撰寫和表述能力；6培養(yǎng)學生正確的設(shè)計思想、嚴謹?shù)目茖W作風；7培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力和運用知識的能力。三、課程設(shè)計要求1、了解和掌握整個虛擬儀器平臺的系統(tǒng)組成、工作原理、各單元功能和應用背景；2、根據(jù)設(shè)計任務進展文獻資料的檢索，根據(jù)各種獨立測量儀器的功能和工作原理，確定諧波測量分析系統(tǒng)的功能，制定設(shè)計方案和設(shè)計虛擬儀器面板；3、利用虛擬儀器LabVIEW軟件，編寫與調(diào)試虛擬儀器的圖形化程序；4、撰寫完整的課程設(shè)計報告。四、課程設(shè)計容1、諧

6、波測量分析系統(tǒng)前面板設(shè)計；2、諧波測量分析系統(tǒng)框圖程序設(shè)計。五、課程設(shè)計報告要求報告中提供如下容：1、目錄2、正文1課程設(shè)計任務書；2總體設(shè)計方案(包括虛擬儀器概念與傳統(tǒng)儀器概念主要區(qū)別，虛擬儀器LabVIEW圖形化程序的組成和特點，為什么選擇虛擬儀器LabVIEW圖形化軟件開發(fā)平臺來設(shè)計諧波測量分析系統(tǒng)，諧波測量分析系統(tǒng)的總體構(gòu)造圖等)；3簡述所設(shè)計的諧波測量分析系統(tǒng)的工作原理及自己的設(shè)計結(jié)果所實現(xiàn)的功能，針對前面板要有操作使用說明，以便他人能夠正確使用所設(shè)計的諧波測量分析系統(tǒng)；4程序流程圖、框圖程序的設(shè)計及功能實現(xiàn)方法等；5調(diào)試、運行及其結(jié)果；要求有諧波測量分析系統(tǒng)設(shè)計的源程序和運行結(jié)果等

7、。3、收獲、體會4、參考文獻六、課程設(shè)計進度安排本課程設(shè)計共需1周時間，其具體安排見下表:時 間上午下午星期一課程設(shè)計發(fā)動、布置課程設(shè)計任務查找與消化相關(guān)資料、總體方案設(shè)計星期二軟件設(shè)計軟件設(shè)計星期三軟件設(shè)計軟件設(shè)計星期四系統(tǒng)調(diào)試系統(tǒng)調(diào)試及性能分析與總結(jié)、撰寫課程設(shè)計報告星期五完成課程設(shè)計報告并上交辯論七、課程設(shè)計考核方法本課程設(shè)計總分值為100分，從課程設(shè)計平時表現(xiàn)、課程設(shè)計報告及課程設(shè)計辯論三個方面進展評分，其所占比例分別為20%、40%、40%。 摘要近年來，由于電力電子技術(shù)的飛速開展，各種電力電子裝置的應用日益廣泛，諧波所造成的危害也日趨嚴重。電力系統(tǒng)部諧波會使電氣設(shè)備過熱，絕緣老化，

8、使用壽命縮短。同時還會引起電力系統(tǒng)局部并聯(lián)諧振或串聯(lián)諧振，使諧波含量放大，造成電容器等設(shè)備燒毀。并引起繼電保護和自動裝置誤動作，使電能計量出現(xiàn)混亂，嚴重影響電能的生產(chǎn)、傳輸和利用的效率。對于電力系統(tǒng)外部，諧波對通信設(shè)備和電子設(shè)備會產(chǎn)生嚴重干擾。為了解決電力電子裝置和其他諧波源的諧波污染問題，對諧波的檢測就顯得尤為重要。傳統(tǒng)的電能量參數(shù)檢測系統(tǒng)由于以硬件為核心，體積龐大，功能單一，已無法滿足日漸復雜的電力參數(shù)測試。本文采用虛擬儀器的思想，將傳統(tǒng)的別離硬件儀器功能進展集成，充分利用現(xiàn)代計算機技術(shù)，用軟件實現(xiàn)電力系統(tǒng)諧波的測試。 目錄摘要TOC o 1-1 h u HYPERLINK l _Toc1

9、551 41 序言 TOC o 1-1 h u HYPERLINK l _Toc1551 PAGEREF _Toc1551 5TOC o 1-1 h u HYPERLINK l _Toc1551 TOC o 1-1 h u TOC o 1-1 h u HYPERLINK l _Toc1551 1.1 諧波研究背景 PAGEREF _Toc1551 5 1.2電力系統(tǒng)諧波測 TOC o 1-1 h u HYPERLINK l _Toc1551 PAGEREF _Toc1551 52虛擬儀器介紹TOC o 1-1 h u HYPERLINK l _Toc1551 6 2.1虛擬儀器的定義及組成TO

10、C o 1-1 h u HYPERLINK l _Toc1551 6 2.2 虛擬儀器的特點TOC o 1-1 h u HYPERLINK l _Toc1551 92.3 LabVIEW平臺設(shè)計諧波測量分析系統(tǒng)TOC o 1-1 h u HYPERLINK l _Toc1551 113 諧波測量分析系統(tǒng)的總體設(shè)計TOC o 1-1 h u HYPERLINK l _Toc1551 13 3.1 程序設(shè)計TOC o 1-1 h u HYPERLINK l _Toc1551 13 3.1.1 前面板程序Front PanelTOC o 1-1 h u HYPERLINK l _Toc1551 14

11、 3.1.2框圖程序Block DiagramTOC o 1-1 h u HYPERLINK l _Toc1551 15 3.2流程圖TOC o 1-1 h u HYPERLINK l _Toc1551 16 3.3諧波測量分析系統(tǒng)的總體構(gòu)造圖TOC o 1-1 h u HYPERLINK l _Toc1551 16 3.4 諧波測量分析系統(tǒng)的工作原理及功能TOC o 1-1 h u HYPERLINK l _Toc1551 174 經(jīng)歷及結(jié)論 TOC o 1-1 h u HYPERLINK l _Toc1551 185 參考文獻TOC o 1-1 h u HYPERLINK l _Toc15

12、51 19引言1.1諧波研究背景一般而言，理想電力系統(tǒng)應具有單一頻率、單一波形、假設(shè)干電壓等級的電能屬性。當電壓、電流為同樣波形、同頻、同相位時為電能傳輸?shù)淖罡咝誓Ｊ健＿@同樣也是電力產(chǎn)品生產(chǎn)、輸送、轉(zhuǎn)換力求保證的最正確電能形式。雖然，在以往的電力系統(tǒng)中正弦波形被畸變的現(xiàn)象就已存在，但由于其功率相對不大，因而危害并不明顯。但是，隨著電力電子技術(shù)的飛速開展，各種電力電子裝置得到廣泛應用的同時也給電力系統(tǒng)帶來了嚴重的污染；而現(xiàn)代工商業(yè)的用電設(shè)備也對電能質(zhì)量提出了更高的要求。因此，如何正確檢測諧波，進而抑制電網(wǎng)諧波，提高電能質(zhì)量已成為當今電工學科研究的熱點問題之一。1.2 電力系統(tǒng)諧波的檢測電力系統(tǒng)

13、諧波檢測問題是目前電工學科急需解決的難題之一?，F(xiàn)有諧波檢測方法按照原理可分為模擬濾波器法、基于傳統(tǒng)功率定義檢測法、基于瞬時無功功率理論的檢測法、基于傅里葉變換的檢測方法、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的檢測法、基于自適應對消原理的檢測法、基于小波分析的檢測法。 2虛擬儀器介紹2.1虛擬儀器的定義及組成虛擬儀器Virtural Instrument, VI的概念是由美國國家儀器公司提出來的，虛擬儀器本質(zhì)上是虛擬現(xiàn)實一個方面的應用結(jié)果。也就是說虛擬儀器是一種功能意義上的儀器，它充分利用計算機系統(tǒng)強大的數(shù)據(jù)處理能力，在根本硬件的支持下，利用軟件完成數(shù)據(jù)的采集、控制、數(shù)據(jù)分析和處理以及測試結(jié)果的顯示等，通過軟、硬件的配

14、合來實現(xiàn)傳統(tǒng)儀器的各種功能，大大的突破了傳統(tǒng)儀器在數(shù)據(jù)處理、顯示、傳送、存儲等方面的限制，使用戶可以方便地對儀器進展維護、擴展和升級。虛擬儀器是基于計算機的儀器，計算機和儀器的嚴密結(jié)合是目前儀器開展的一個重要方向，虛擬儀器就是在通過計算機上加一組軟件和硬件，使得使用者在操作這臺計算機時，就像是在操作一臺自己設(shè)計使用的專用的傳統(tǒng)電子儀器。在虛擬儀器系統(tǒng)中，硬件僅僅是為了實現(xiàn)信號的輸入、輸出，軟件才是整個儀器系統(tǒng)的關(guān)鍵。任何一個使用者都可以通過修改軟件的方法，很方便的改變、增減儀器系統(tǒng)的功能與規(guī)模，所以有“軟件就是儀器之說。虛擬儀器的根本構(gòu)成包括計算機、虛擬儀器軟件、硬件接口模塊等，其中，硬件接口

15、模塊可以包括插入式數(shù)據(jù)采集卡DAQ、串/并口、IEEE488接口GPIB卡、V*I控制器以及其他接口卡。目前較為常用的虛擬儀器系統(tǒng)是數(shù)據(jù)采集卡系統(tǒng)、GPIB儀器控制系統(tǒng)、V*I儀器系統(tǒng)以及這三者之間的任意組合。一般來說, 虛擬儀器是由通用儀器硬件平臺(簡稱硬件平臺) 和應用軟件兩大局部構(gòu)成的。1虛擬儀器的硬件平臺構(gòu)成虛擬儀器的硬件平臺有兩局部。(1) 計算機。一般為一臺PC 機或工作站, 是硬件平臺的核心;(2) I/ O 接口設(shè)備。I/ O 接口設(shè)備主要完成被測輸入信號的采集、放大、模/ 數(shù)轉(zhuǎn)換。不同的總線其相應的I/ O 接口硬件設(shè)備,如利用PC 機總線的數(shù)據(jù)采集卡/ 板(DAQ) 、GP

16、IB 總線儀器、V*I 總線儀器模塊、串口總線儀器等。虛擬儀器的I/ O 接口設(shè)備主要有5 種類型。PC -DAQ 系統(tǒng)。PC - DAQ 系統(tǒng)是以數(shù)據(jù)采集板、信號調(diào)理電路及計算機為儀器硬件平臺組成的插卡式虛擬儀器系統(tǒng)。這種系統(tǒng)采用PCI 或計算機本身的ISA 總線, 將數(shù)據(jù)采集卡/ 板(DAQ) 插入計算機的空槽中即可。GPIB系統(tǒng)。V*I 系統(tǒng)。P*I 系統(tǒng)。串口系統(tǒng)。它們分別是以其自身的標準總線儀器與計算機為儀器硬件平臺組成的虛擬儀器測試系統(tǒng)。2虛擬儀器的軟件目前的虛擬儀器軟件開發(fā)工具主要有如下兩類:文本式編程語言: 如Visual C + + , Visual Basic , Lab2

17、Windows/ CVI 等。圖形化編程語言: 如LabVIEW,HPVEE 等。這些工具為用戶設(shè)計虛擬儀器應用軟件提供了最大限度的方便條件與良好的開發(fā)環(huán)境。虛擬儀器的最大特點是將計算機資源與儀器硬件,DSP技術(shù)相結(jié)合，在系統(tǒng)共享軟硬件資源，打破了以往由廠家定義儀器功能的模式，由用戶自己定義儀器功能。在虛擬儀器中，使用一樣的硬件系統(tǒng)，通過不同的軟件編程，就可以實現(xiàn)功能完全不同的測量儀器。傳統(tǒng)儀器與虛擬儀器系統(tǒng)的比擬如下表所示。傳統(tǒng)儀器與虛擬儀器系統(tǒng)的比擬傳統(tǒng)儀器虛擬儀器系統(tǒng)系統(tǒng)標準儀器廠商定義用戶自定義系統(tǒng)關(guān)鍵硬件軟件系統(tǒng)更改儀器功能，規(guī)模固定系統(tǒng)功能，規(guī)?？赏ㄟ^軟件修改，增減系統(tǒng)連接系統(tǒng)封閉

18、，與其他設(shè)備連承受限開放的系統(tǒng)，可方便的與外設(shè)，網(wǎng)絡(luò)及其他應用連接價格昂貴低，可重復使用技術(shù)更新周期510年12年開發(fā)，維護費用高低由此可見，虛擬儀器盡可能采用通用的硬件，各種儀器的差異主要是軟件，同時能充分發(fā)揮計算機的能力，有強大的數(shù)據(jù)處理功能，可以創(chuàng)造出功能更強的特性儀器。2.2 虛擬儀器的特點虛擬儀器和傳統(tǒng)儀器相比具有以下的特點:(1) 具有可變性、多層性、自助性的面板。虛擬儀器的面板可以做到與傳統(tǒng)儀器一樣, 可以有顯示器顯示波形; 有LED指示數(shù)字; 有指針式表頭指示刻度; 有旋鈕、滑動條、開關(guān)按鈕; 有報警指示燈和聲響等等。而虛擬儀器的優(yōu)越之處在于傳統(tǒng)儀器面板上的元器件是硬件, 由廠

19、商設(shè)計確定, 不可改變地安裝在專用的面板上。而虛擬儀器的面板由計算機的顯示器構(gòu)成, 面板上的各種顯示控制元件是軟件圖庫中的各種功能圖形, 由用戶設(shè)計面板, 調(diào)用圖形塊, 用戶可以不受“標準件和“加工工藝限制,隨意增、刪、移動元器件, 變化尺寸、色彩等等。還可以制作多層下拉面板, 幫助文件等等, 做出遠遠超過傳統(tǒng)儀器的全漢化、生動美觀、界面友好的面板。(2) 強大的信號處理能力用適當?shù)挠布涌陔娐? 對信號進展采集、放大、濾波、隔離、A/ D 轉(zhuǎn)換后,虛擬儀器就可以靈活、充分地利用通用計算機的大量實用軟件工具, 對信號進展各種計算、分析、判斷、處理、圖形或數(shù)字顯示, 經(jīng)D/ A 轉(zhuǎn)換后控制執(zhí)行器

20、件的動作。(3) 功能、性能、指標可由用戶定義即可以根據(jù)用戶的不同要求對同一儀器的功能、性能、指標進展修改或增刪, 徹底打破了傳統(tǒng)儀器一經(jīng)設(shè)計、制造完成后, 其功能、性能、指標不可改變的封閉性、單一性。另一方面也可以將多種儀器的功能、性能、指標等以軟件的形式集成在一個“功能軟件庫虛擬儀器庫, 通過它們的不同組合以及與各種不同類型的硬件接口搭配, 使得在一臺個人計算機上就可實現(xiàn)各種儀器的不同功能, 大大提高了儀器功能的靈活性, 甚至可以進展非常復雜性的測試工作。(4) 具有標準的、功能強大的接口總線、板卡及相應軟件GPIB 通用接口總線( General Purpose InterfacBus)

21、又稱IEEE488 國際標準接口總線, 30 年來廣泛應用于儀器領(lǐng)域。但是只適用于消息基器件的互操作, 不適用于存放器基器件。V*I 總線1987 年被首次推出,迅速成為IEEE1155 國際標準。V*I 硬件的通用性,使任意廠家、各種類型儀器接口不會發(fā)生電氣和機械方面的沖突。V*I 總線的開放性, 保證任何系統(tǒng)一旦建立, 將來仍能得到很好的效用。V*I 能保持每個儀器之間準確定時和同步, 具有40Mbytes/ s 的高數(shù)據(jù)傳輸率。V*I 模塊化儀器被認為是虛擬儀器最理想的硬件平臺, 是儀器硬件的開展方向。此外, 還有VISA、PCI 等標準I/ O 卡及其相應驅(qū)動程序庫為虛擬儀器的數(shù)據(jù)采集

22、和控制提供強大支持。(5) 此外, 虛擬儀器還具有開發(fā)周期短、本錢低、維護方便, 易于應用新理論、新算法和新技術(shù),實現(xiàn)儀器的換代升級等特點。2.3 LabVIEW平臺設(shè)計諧波測量分析系統(tǒng) 測試的目的在于獲取被測對象的性能、狀態(tài)或特征，所以信號采集只是測試工作的第一步。信號的分析和數(shù)據(jù)處理是構(gòu)成測試系統(tǒng)的重要組成局部，常用的分析方法可以分為數(shù)學分析和數(shù)字信號處理兩大類。LabVIEW提供了容豐富、功能強大的分析節(jié)點，配合出色的數(shù)據(jù)顯示工具，可以完成復雜的信號分析和數(shù)據(jù)處理工作。LabVIEW的數(shù)字信號處理模板包括5個功能：信號產(chǎn)生、時域分析、頻域分析、濾波器和窗函數(shù)。我在做“諧波測量分析系統(tǒng)設(shè)計

23、這個課題時，首先想到的就是運用虛擬儀器中的LabVIEW來進展該課題的研究。3 諧波測量分析系統(tǒng)的總體設(shè)計3.1 程序設(shè)計3.1.1 前面板程序Front Panel3.1.2框圖程序Block Diagram3.2流程圖：3.3諧波測量分析系統(tǒng)的總體構(gòu)造圖3.4 諧波測量分析系統(tǒng)的工作原理及功能：由上面所示的框圖程序可以分析得出：整個框圖程序的上局部由一個整個的While循環(huán)構(gòu)成。循環(huán)里面，左邊是一個通道的正弦信號發(fā)生器以模擬實際電流生成波形，可以到達這樣的要求： 1、頻率圍：0.001Hz100KHz；2、幅值：0200A，可選；3、直流偏置：0100V，可選；4、可調(diào)整幅值、相位、頻率；

24、調(diào)整后無須重新啟動；5、在產(chǎn)生的信號中可以參加高斯噪聲。中間以及右邊局部模擬測量低壓配電系統(tǒng)的基波電流，基波頻率，總畸變率THD、thd，231次各次諧波電流含有率、直流含量等參數(shù)。并且可以對產(chǎn)生的正弦信號進展頻譜分析，得到相關(guān)的頻譜圖，所有測量分析的參數(shù)都可以系統(tǒng)前面板中進展顯示，所產(chǎn)生的正弦信號及其頻譜圖要求分別進展波形顯示。框圖程序的下面一小局部是使用Control控件的局部變量來到達控制它的顯示時間的連續(xù)性的目的。生成一個正弦信號。參加噪聲。諧波失真分析。得出根本平均直流均方根。首先通過正弦波信號發(fā)生器模擬實際電流，并可調(diào)節(jié)幅值、相位、頻率，再產(chǎn)生一個高斯噪聲信號，并且將高斯噪聲的采樣

25、信輸入點與正弦波信號的采樣并連一個輸入，然后將高斯噪聲與正弦信號相加得原始電流波形，接著進展模擬測量低壓配電系統(tǒng)的基波電流，將電流原始波形通過諧波失真分析得到基波頻率與THD以及n次電流諧波幅值，將n次電流諧波幅值通過數(shù)組索引得基波分量與直流分量，將電流原始波形通過根本平均直流-均方根，得到周期性交流量方均根值，根據(jù)公式以及得出thd。根據(jù)公式得出各次諧波含有率，為了得到231次各次諧波電流含有率，將各次諧波通過一個for循環(huán)以及case構(gòu)造，將for循環(huán)的i加2再加到數(shù)組索引端，case構(gòu)造的分支選擇器標簽改為數(shù)字231，將數(shù)組索引的輸出接入case構(gòu)造輸出結(jié)果，最后將n次電流諧波幅值接創(chuàng)立波形函數(shù)的Y端，生成新的頻譜圖。最后將總的程序框圖放入一個while循環(huán)。通過stop按